PFC2D 滑坡阻河机理及冲击致灾数值模拟研究

朱书涛，祝星星，杨春月，伏 航

（四川农业大学 水利水电学院，四川 雅安 625014）

引言

我国西部地区多为丘陵、山地。河流分布众多，地形崎岖，地势陡峭。在人类活动范围扩大、地震频繁发生、降雨强度大等因素的影响下，容易在河流沿岸发生滑坡，滑坡自滑动区向下滑动，汇入河道中形成大小不一的堆积体，堆积体的存在将会严重影响河流的过流能力，或者束窄河道行洪断面，造成堆积区域水位涌高，以致引发其他次生灾害，如淹没下游城镇及农田。据统计：由滑坡引发的堰塞坝占所有堰塞坝的 70%以上[1]，2018年 10月 17 日，西藏米林县雅鲁藏布江左岸，色东普沟发生大体积滑坡，冲入雅鲁藏布江堵塞河道形成堰塞湖[2]，2018年，金沙江上游发生白格滑坡，碎屑流完全堵断河道形成堰塞坝[3]。滑坡受到河宽、坡高、方量等因素的影响，堆积体在河道中并不一定形成堰塞坝。但堆积体的存在将会明显减弱河道的过流能力，束窄河道行洪断面，使河道上游水位升高，同样也会对下游地区造成一定的危害。

国内外对滑坡堵江的研究进展不同，研究程度不同，在滑坡堵江的形成机理方面虽有涉及，但较为缺乏深入的研究[4]。黄鸿强在考虑了河道宽度和地形坡度两因素的情况下，使用PFC2D软件，对滑坡堵江的影响因素进行了数值模拟[5]，但其并未考虑坡高及方量对滑坡堵江的影响，需要进一步完善；王洋海等利用DEM 软件，在不同坡角及坡高条件下，对滑坡形成的堆积体形态和颗粒的粒径分布进行了数值模拟[6]，然而并没有涉及河宽及方量对堆积体形态造成的影响；李子隆等以黄石盘水库黄角树滑坡为研究对象，以PFC2D软件，对滑坡失稳造成堵江的高度进行了预测[7]；陈祖煜等采用动力有限元分析技术，再现了肖家桥滑坡的失稳过程以及诱发堵江的四个阶段[8]；吴建川等人利用PFC3D软件，对唐古栋滑坡堰塞坝堆积过程及堆积形态进行了反演[9]。

本文以前人研究为基础，采用PFC2D离散元软件，对滑坡汇河阻河机理进行数值模拟。考虑了坡高、河宽、颗粒数量三个因素对滑坡堵江的影响，该研究可在理论上深化对滑坡堵江致灾机理的认识，同时对实际灾害防治也具有一定的指导意义。

1 PFC2D 数值模拟

为研究滑坡汇河阻河过程及其影响因素，采用二维离散元软件PFC2D进行数值模拟。首先利用PFC2D生成一定数量的颗粒，使碎屑流滑入河道中得到一定形态的堆积体，其次进一步研究各影响因素对堆积形态演化过程的影响。在模拟过程中，忽略河道中的河水流量、流速等部分水动力条件，即认为河水水位很浅，对滑坡堆积体不产生作用。颗粒流程序PFC 中颗粒间的接触采用既可以传递力，又可以传递力矩的线性平行粘结模型，并通过ball-wall 的方法建立滑坡崩滑模型，以颗粒来组建滑体进而开展实验。

2 数值模型及模拟方案

2.1 模型建立

柴贺军等人在经过大量资料的收集整理后，认为滑坡型堰塞坝容易在30°～45°的斜坡地带形成[10]，因而选取35°角为坡角建立滑坡模型。数值模型几何尺寸如图1 所示。模型主要由颗粒生成区、滑床、河道三部分组成。在河道与滑床衔接处通过-53°的斜面连接而成，其中河道宽度为8m，河堤高度为2m，坡高为12m。

2.2 计算方案

为研究坡高、河宽及颗粒数量对滑坡堵河的影响，实验方案如表1 所示。表中类别Ⅰ为研究坡高和河宽对堆积形态的影响，类别Ⅱ为研究在一定的坡高和河宽下方量对堆积形态的影响。

3 PFC2D 数值模拟计算结果

3.1 滑坡下滑及堆积过程

首先在PFC 中建立两个墙面，在两个墙面之间生成一定数量的颗粒，使颗粒在重力作用下，沉降到滑床表面并计算达到平衡。然后赋予颗粒合理的微观参数，并将其中一侧起拦挡作用的墙面删除，对颗粒赋予重力后，使得颗粒在重力作用下，沿着滑床下滑并最终堆积在河道中，颗粒生成及下滑堆积过程如图 2（a）、（b）、（c）所示。

3.2 河宽及坡高对堆积堵河的影响

表1 PFC2D 数值模拟实验方案

实验中在同一河宽下分别考虑了6m、9m、12m 坡高对堆积体堵河的影响。从图3 中可以看出，坡高较低时堆积体后部逐渐向坡上攀升，坡高增加时这种现象有所减弱，同时随着坡高的增加，堆积体前缘厚度有增加趋势。在滑坡方量相同时，河宽越小、坡高越高越容易发生滑坡完全堵河事件。

由图3 进行横向对比可以发现，在颗粒数相同时，河宽增加，堆积体堵河由完全堵河发展为不完全堵河。河宽由4m 增大到12m 的过程中，堆积体整体厚度不断减小，意味着堆积体拦挡蓄水的能力明显减低，同时随着河宽的增加，堆积体后部向坡上爬升的现象将减弱。

图1 数值模拟滑坡模型尺寸图

图2 数值模拟实验过程图

图3 不同坡高和河宽下堆积体形态的变化规律

图4 滑坡方量对堆积体堵江情况的影响

3.3 方量对堆积体堵河的影响

为研究滑坡方量对阻河的影响，PFC 数值模拟生成的颗粒数分为 300、400、500 三组，由图 4（a）、（b）、（c）各组可以发现随着滑坡碎屑流方量的增多，堆积体堵河程度加剧，其前缘堆积厚度增加，对河道的束窄程度也在提高。当生成的颗粒数增加到一定程度时，滑坡就会由不完全堵河发展成为完全堵河，进而形成具有潜在威胁的堰塞坝。

由图3 对比图4 可知，当河宽变宽以及生成的颗粒数增多时，河宽对堆积体厚度的影响明显大于方量对堆积体厚度的影响，即堆积体是否完全造成阻河，主要取决于河道宽度，方量因素并非主要因素，只有在河宽确定时方量才会产生明显的影响。

由图3（c）中第一个图对比图4（b）中最后一个图可知，当河宽为12m 不变，坡高由6m 增加至12m，颗粒数量由400 个增长到500 个时，堆积体厚度整体增加，表明方量对堆积体阻河状态存在显著影响，方量的提高，将会明显改变河道水流流速和行洪断面，碎屑流数量的影响较坡高因素的影响强。

图5 滑坡冲击力图

图6 不同河宽及坡高下最大冲击力图

4 滑坡冲击力的影响

滑坡入河后不仅会对河堤造成冲击，导致破坏，也会使得河堤周边存在的不稳定岩土发生塌落，从而增加堆积体前缘厚度，加大堆积体阻河的程度。为探究滑坡汇入河道后由于冲击力造成的影响。以实验方案中类别Ⅰ的滑坡模型进行数值模拟，模拟过程中通过编写的fish 函数，用PFC2D程序监测在不同河宽下，从不同坡高下滑的滑坡对河堤的冲击力大小，监测到的滑坡冲击荷载图如图5 所示。依次进行各组试验，最终得到河宽为4m、9m、12m 条件下各坡高的最大冲击荷载，并通过origin 数据处理软件得到不同河宽和坡高情况下的最大冲击力图，如图6 所示。由图5 可知，不同坡高下，滑坡自由下滑的运动时间不同，坡高越高运动时间越长。从图6 可知，坡高增加最大冲击荷载也在增加，但受到河宽的影响，河宽增加最大冲击力反而在减小。因此在河宽较窄、落差较大部位，滑坡对河堤的破坏程度加强，河堤应尽量加固以防止被破坏。

5 结束语

滑坡冲入河道后，形成的天然拦挡蓄水建筑物，往往会对下游人民群众的生命财产安全产生巨大威胁，本文通过二维离散元软件PFC2D，对构建的滑坡模型在不同坡高、河宽及方量条件进行数值模拟，得到最终堆积体堵河的不同形态，同时监测了不同河宽和坡高情况下的最大冲击力。对各影响因素下堆积体形态及冲击力图进行分析，可得出如下结论：

（1）河宽较窄时，随着坡高的增高，堆积体后部向滑床部位攀升的程度将减小，坡高越高堆积体前缘厚度将加大，使得堆积体对水流的拦挡能力加强。坡高越高滑坡对河堤的冲击荷载越大，对河堤造成的冲击破坏也越强。

（2）河宽的加宽将有效减小堆积体阻河的程度，当考虑河道中的水动力条件时，河道越宽堆积体厚度越小，形成堰塞坝越困难。河宽能够影响滑坡的最大冲击荷载，河宽越小冲击力越大，反之则减小。

（3）滑坡方量对堆积体阻河程度的影响，较坡高影响强烈，随着方量的增加，堆积体由部分堵河会发展成为完全堵河。